基于stm32的pmsmfoc软件库培训_2_W

1、 基于STM32的PMSM FOC软件库培训 MCU Application Great China蒋建国Shanghai, March,2008 Plan直流无刷马达介绍 FOC 基础 Clark及Parke坐标系转换Circle limitation磁链及力矩控制器电流读取 3电阻法 电流传感器法 转子的速度/位置反馈:Hall传感器 正交编码器 MCU Application Great ChinaMar 081基于STM32的 PMSM FOC软件库培训 直流无刷马达介绍 两种直流无刷马达PMSM：永磁同步马达BLDC：直流无刷马达 相似性 同步转矩； 转子为永磁体； AC定子电流差异

2、性 PMSM的反电动势为正弦波，而BLDC的为梯形波；BLDC的电感较低； PMSM需要正弦的定子电流来产生稳定的转矩，而BLDC的定子电流为梯形波 MCU Application Great ChinaMar 082基于STM32的 PMSM FOC软件库培训 PMSM: 永磁同步马达不同的转子结构： La Lb Lca) SM-PMSM: 表面贴式磁钢（Ld=Lq）.b) & c)IPM-SM: 内嵌式磁钢(LdLq). 特别地， b) 内插式; c) 放射状内埋式 MCU Application Great ChinaMar 083基于STM32的 PMSM FOC软件库培训 转子磁场定

3、向控制 (FOC): 概述 数学理论应用于三相马达磁链及转矩的解耦控制定子电流被分解成： 直轴电流Ids：用于产生磁场，与转子的磁场叠加 交轴电流Iqs：用于控制转矩（其作用等同于直流电机的电枢电流）。 益处 马达转速可对负载的变化做出精确而快速的反应效率优化 可进行位置控制 (通过瞬时转矩控制)MCU Application Great ChinaMar 084基于STM32的 PMSM FOC软件库培训 坐标变换理论 (1/3)坐标变换理论可以降低马达方程的复杂性，利用坐标变换把 定子及转子变量变换到一个旋转坐标系中，该坐标系的转速 为角速度。 假 设 fax, fbx,fcx为三相瞬时变

4、量，位于相移120度的a,b,c坐标上，fqx, fdx, f0x 为其变换变量，位于正交坐标d,q上：MCU Application Great ChinaMar 085基于STM32的 PMSM FOC软件库培训 坐标变换理论(2/3)变换方程为： cosq - 2p cosq +2p cosq33 fax fqx= f= 2 sinqsinq + 2p sinq - 2p ffbx 3 qdoxdx33 f f 0x cx 121212tq=w(t ) dt + q (0 )其中03个变换方程用于PMSM矢量控制Clarke: =0, (0)=0 =0; Park: =r, (0)=r(

5、0) =r;反Park: =-r , (0)= r(0) =-r;MCU Application Great ChinaMar 086基于STM32的 PMSM FOC软件库培训 坐标变换理论(3/3)Clarke变换应用于定子电流：ias,ibs,ics:ia = iasI+ 2ibs= - iasib3Park变换应用于定子电流：i,i:= ia cosqr - ib sinqr= ia sinqr + ib cosqriqsidsV反Park变换应用于定子电压：vqs,vds:va = vqs cosqr + vds sinqrvb = -vqs sinqr + vds cosqrMCU

6、 Application Great ChinaMar 087基于STM32的 PMSM FOC软件库培训 SM-PMSM FOC 1/3参照右图，SM-PMSM马达的电压和磁链方程为：bradlabc= r i+vscabcss abcsdtm- 1 L- 1 LL+ Lsinqls- 1 Lmsmsms22r+ sin q- 2 p F- 1 Ll=L+ Liabcsmsls- 1 Lmsmsabcsrm223- 1 L2L+ Lsinq +pmsmslsms22r3MCU Application Great ChinaMar 088基于STM32的 PMSM FOC软件库培训 SM-PM

7、SM FOC 2/3把上述的马达方程变换到与转子同步的d,q坐标系中，且使d轴定位在转子磁链轴上，可得到： vls+ dlq s= Lsiqs+ wl= r i= L i+ Fqss qsrdsdt dldds dmss磁链- wl= r i+sdss dsrqsdti)p(li)=p(L i3232i- l=i+ Fi- L iTed sq sq sd ss d sq sm qrs q sd s当 iqs=Is ; ids=0时，转矩达到最大值MCU Application Great ChinaMar 089基于STM32的 PMSM FOC软件库培训T=3p (Fi)e2m qs SM-

8、PMSM FOC 3/3iabcTLFOC 小结: 把定子电流分解为与转子磁链同相的直轴分量及正交的交轴分量 MCU Application Great ChinaMar 0810基于STM32的 PMSM FOC软件库培训SM-PMSM 马达模型 siqTse-+idsw rq r elp s1s J p(F i )3 2m qsejrFOC 驱动 iq*sid * = 0sRotor position feedback is required!q r el= p (Fi)Te2m qse-jr Synchronous Frame CR-PWM FOC 转矩控制PMSMMotoriqs*id

9、s*MCU Application Great ChinaMar 0811基于STM32的PMSM FOC软件库培训逆变器 ACMainsvabc+vqsvSVPWM -vds计算 +-ir elqsiiabc sidsCLARKE电流读取 r el转 子 速度 位置反馈 PARKPIDPIDPARK反变换 & circle limitation3 phase inverter FOC 速度控制逆变器ACMainsPMSMMotorvabciqs*vqs+vSVPWM计算 -ids*+ vds-r eliqsiiabc sidsCLARKE电流读取-r el+r*rMCU Applicatio

10、n Great ChinaMar 0812基于STM32的 PMSM FOC软件库培训转 子 速度 位置反馈 PARKPID转矩及磁链控制器 PIDPARK 反变换 & circle limitation3 phase inverter 深入： circle limitation从前面的分析可知： vqs与vds是由2个PID调节器单独计算的，因此需要正确计算电压矢量V，使之输入到SVPWM模块 最大的电压幅值为：S16_MAX(即：32767)，若使用电阻法读取电流, 它是PWM频率的函数(详见软件库中的MMI表)V ( MMI S16_MAX)*q=rV *Vq| V* |VV*qV (M

11、MI S16_MAX)Vq*=rVdd| V* |V*Vddr2r1MMI S1r6_MAX2Look up table:r1= S16_MAXr2= MMI S16_MAX| V* |MCU Application Great ChinaMar 0813基于STM32的 PMSM FOC软件库培训 深入：弱磁控制 1/3很多应用需要使马达在额定转速以上运行：这可以通过弱磁控制的方法来实现。 额定转速是指马达能始终输出最高转矩的最高转速可通过控制直轴电流id来降低磁通量，当然，代价是其同样降低了交轴电流iq，最终输出转矩也降低。参见转矩方程： p (Fi)32T=em qs而且，如果需要在弱磁

12、控制区域运行，逆变器必须有刹车电阻或再生发电能力(昂贵的4象限AC-DC,.)MCU Application Great ChinaMar 0814基于STM32的 PMSM FOC软件库培训 深入：弱磁控制 2/3“转矩及磁链控制器” (FOC速度控制) 实时地提供：目标交轴电流 iq ( 通过一个 PID 调 节 器 实 现 ) 及目标直轴电流 id ( 通过查M C _ P M S M _ M o t o r _ p a r a m . h 中的数据表实现)， 以此来逼近目标转速。 该头文件由电子表格产生，在该表格中，需要填写如下参数： 逆变器交流输入电压;Rs,马达绕组电阻; Ls,马

13、达绕组电感;Ke,马达反电动势常数; p, 极对数;In, 马达额定电流( 321ids2431MCU Application Great ChinaMar 0816基于STM32的 PMSM FOC软件库培训注：必须考虑到的直轴电流id会导致永久性退磁。 深入：速度闭环调节函数： FOC_CalcFluxTorqueRef(MC_FOC_DRIVE.c)Feature is executed with TB periodis iq temp higher than iq sat ?YESNOChoose id ref, iq sat(MC_PMSM_Motorparam.h)iq ref =

14、 iq tempiq ref= iq satEndiq tempMCU Application Great ChinaMar 0817基于STM32的 PMSM FOC软件库培训PID speed regulatorRead Measured SpeedRead Target Speed FOC 实现函数： FOC_Model (MC_FOC_DRIVE.c)Feature is executed after Current Conversions (SAMPLING FREQ)EndMCU Application Great ChinaMar 0818基于STM32的 PMSM FOC软件库

15、培训SV_PWM (v, v)(iq, id) = Park (i, i)(v, v) = RevPark (vq, vd)(i, i) = Clarke (ia, ib)(vq, vd) = CircleLimitation (vq*, vd*)(ia, ib) = Get Phase Currentsvd* = PI regulator (id, id ref)vq* = PI regulator (iq, iq ref) Plan直流无刷马达介绍 FOC 基础 Clark及Parke坐标系转换Circle limitation磁链及力矩控制器电流读取 3电阻法 电流传感器法 转子的速度/

16、位置反馈:Hall传感器 正交编码器 MCU Application Great ChinaMar 0819基于STM32的 PMSM FOC软件库培训 电流读取硬件结构（ 3电阻法）ADCMCU Application Great ChinaMar 0820基于STM32的 PMSM FOC软件库培训OpAmp + Offset3.3V500mVR Shunt上的电压输入到的电压 OpAmp + Offset+-OpAmp + Offset+-OpAmp + Offset+- 采样点 由TIM1的CH4输出触发采样MCU Application Great ChinaMar 0821基于ST

17、M32的 PMSM FOC软件库培训 注意事项 必须读取两相的定子电流：由SVPWM的当前扇区决定该读哪两相电流； 只有在下桥臂打开时，才能读到该相电流；每次桥臂开关状态有变化时，会在shunt电阻上的电压产生一个电子干扰，假设该干扰的时间长度为TNoise； 当下桥臂打开后，需要等待一段时间来使shunt电阻上的电压达到稳定值，假设该干扰的时间长度为TRise； 在TNoise及 TRise期间不能读相电流；由于STM32 ADC/TIM1的高性能，我们可以在PWM周期的任意时刻读取电流。当然，我们希望在SVPWM的不同扇区，电流采样点无大的变化。 MCU Application Great

18、 ChinaMar 0822基于STM32的 PMSM FOC软件库培训 与SVPWM相关的问题图：三相下桥臂的duty cycleMCU Application Great ChinaMar 0823基于STM32的 PMSM FOC软件库培训对于每个SVPWM扇区，总有相桥臂的duty cycle变化很小而另相的duty cycle变化很大； 在下述的介绍中，我们假设C相下桥臂的duty cycle 最大，A相下桥臂的duty cycle最小，而B相下桥臂的duty cycle变化最大，如右图。 100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%Phase APhase B

19、Phase C100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%060120180240300360Phase APhase BPhase C 采样点的定义（1/4）：低调制系数若 DutyA处。 DT+TN： 可以把采样点设在定时器的上溢随着调制系数的增大, 只要保证DutyA终可以把采样点设在定时器上溢处。 DT+TN，则 始DutyACounter overflowHP: TS DT+TNLow side phase A DTHigh side phase ALow side phase B High side phase BDT DTTNDT TSCurrent fee

20、dback phase BSampling startSampling endTSCurrent feedbackephasC 可用于采样电流的时间段 MCU Application Great ChinaMar 0824基于STM32的 PMSM FOC软件库培训 采样点的定义（2/4）：高调制系数若 (DT+TN+TS)/2 DutyA DT+TN & DutyA-B DT+ TR +TS：可以把采样点设在A相下桥臂打开后TNs处DutyADutyA-BCounter overflowLow side phase ADTHigh side phase ALow side phase B H

21、igh side phase BDT DTTSTNDT Current feedback phase BSampling startSampling endTSCurrent feedback phase C可用于采样电流的时间段 TSMCU Application Great ChinaMar 0825基于STM32的 PMSM FOC软件库培训 采样点的定义（3/4）：高调制系数若 DutyADT+TR+TS：可以把采样点设在A相上桥臂关断前 TS s 处。 DutyA-BLow side phase ADTHigh side phase ALow side phase B High si

22、de phase BDT DTTRDTTSCurrent feedback phase BSampling startSampling endCurrent feedbackephasCTS可用于采样电流的时间段 TSMCU Application Great ChinaMar 0826基于STM32的 PMSM FOC软件库培训 采样点的定义（4/4）：高调制系数若 DutyA(DT+TN+TS)/2 & DutyA-BDT+TR+TS：则无法采样相电流。为了避免此情况，必须降低调制系数（MMI）或PWM 频率。 DutyA-BLow side phase ADTHigh side phas

23、e ALow side phase B High side phase BDT DTTRDTCurrent feedback phase BCurrent feedbacCk phase无足够长的时间段用于电流采样 HALL_MAX_OV ERFLOWS ?YesYesThere were overflows?Re-compute captureYesCaptured value is too low?Store capture, prescaler, directionStore capture, prescaler, directionPrescaler-Prescaler+EndMCU

24、Application Great ChinaMar 0850基于STM32的 PMSM FOC软件库培训Store capture, prescaler, directionTime out = TRUESynchronize angleExtract spinning directionOVF_Counter+Read present stateUpdate (OVF) eventCapture eventTIMx_IRQHandler： 规定 库文件要求： H1，H2及H3信号在正转时的时序如下 60120在库文件中，角度0 的位置解释为A相的反电动势最大处：BemfCBemfABemfB-90基于STM32的 PMSM FOC软件库培训 090MCU Application Great ChinaMar 0851 怎样连接Hall传感器到MB459板 1/2任选一个马达的相作为参考，把它插入A相插槽(J5-2)； 用手朝你规定的正方向转动马达，用示波器测量三个相端与虚拟中心点间的反电动势波形； 与A相的反电动势相差+120的相为B相(J5-3)， 另一相则为C相 (J5-1)。 MCU Application Great ChinaM